Системы воздухоснабжения дизеля и выпуска отработавших газов

/ Литература / Тепловозы: Основы теории и конструкция / Системы воздухоснабжения дизеля и выпуска отработавших газов

Назначение и условия работы системы подачи воздуха. Воздушная система дизеля предназначена для снабжения дизеля необходимым количеством чистого воздуха под избыточным давлением для наполнения цилиндров, а также для их продувки. Современные тепловозные дизели требуют для своей работы большие расходы воздуха (15-17 тыс. м3/ч - дизели 1 ОД 100 и 11Д45). Для подачи воздуха в системах различных тепловозов используются нагнетатели (компрессоры) различных типов. Воздух забирается извне тепловоза через воздухоприемные устройства.

Воздух, окружающий тепловоз во время движения, содержит во взвешенном состоянии большое количество разнообразных по природе и различных по размерам твердых частиц - пылинок. Движение локомотива с поездом, особенно с большой скоростью, вызывает завихрение окружающего железнодорожный путь воздуха и способствует отрыву от земли и подъему более крупных и тяжелых частиц, а также металлической пыли, являющейся результатом истирания тормозных колодок.

Запыленность воздуха вокруг тепловоза во время движения зависит от многих условий и составляет в среднем 2-4 мг пыли на 1 м3 воздуха.

В особо неблагоприятных условиях она значительно превышает средние значения и может достигать 50 и даже 100 мг/м3.

Железнодорожная пыль характерна своей высокой раздробленностью или, как говорят, дисперсностью. В ней преобладают очень мелкие частицы, которые трудно задержать в каких-либо фильтрах. В средних условиях 65-70 % частиц пыли имеют размеры менее 5 мкм (0,005 мм).

Наличие пыли в воздухе ускоряет износ деталей двигателей. Поэтому все тепловозные дизели обязательно снабжаются воздухоочистителями.

Таким образом, система подачи рабочего воздуха на дизелях состоит из воздухоприемных устройств 1, воздухоочистителей 2, нагнетателей (приводных 3 или газотурбинных, состоящих из центробежного компрессора 4а и газовой турбины 46), впускных коллекторов 6 и промежуточных воздуховодов (рис. 6.17, а). Для увеличения массы заряда воздуха в рабочих цилиндрах применяют охлаждение наддувочного воздуха при помощи специальных воздухоохладителей 5 (рис. 6.17, б). Охлаждение наддувочного воздуха особенно необходимо при наличии так называемого высокого наддува. При двухступенчатом сжатии охладитель наддувочного воздуха 5 размещается или после нагнетателей - дизель 1 ОД 100 (рис. 6.17, в), или между нагнетателями первой и второй ступеней (промежуточное охлаждение) - дизель 11Д45. Характеристики систем воздухоснабжения дизелей отечественных тепловозов приведены в табл. 6.4.

Нагнетатели рабочего воздуха. На тепловозных дизелях получили распространение нагнетатели двух основных типов: объемные (роторные) нагнетатели н центробежные компрессоры. И те, и другие могут использоваться с приводом от коленчатого вала дизеля. Однако центробежные компрессоры эффективнее используются при индивидуальном приводе от самостоятельной газовой турбины, работающей на выхлопных газах дизеля. В этом случае компрессор и турбина конструктивно объединяются в единый агрегат- турбокомпрессор.

Тепловозы- основы теории

Объемные нагнетатели роторного типа применяются на двухтактных дизелях 2Д100 (тепловозы ТЭЗ) и 14Д40 (тепловозы М62). Нагнетатель представляет собой корпус, в котором относительно параллельных осей синхронно вращаются два трехлопастных ротора. Лопасти роторов захватывают воздух, засасываемый в корпус сверху, и, прогоняя его отдельными объемами (между парами лопастей каждого ротора и цилиндрическими перегородками корпуса), нагнетают его во впускные коллекторы дизеля. Для непрерывной подачи воздуха лопастям роторов придана спиралеобразная форма.

Нагнетатели роторного типа приводятся во вращение от коленчатых валов дизелей. Их производительность и давление нагнетаемого воз-

Рис. 6.17. Схемы систем воздухоснабжения и выпуска газов тепловозных дизелей: а - 2Д100; б - ПД1М; в - 10Д100

духа прямо пропорциональны скорости вращения роторов, а следовательно, и коленчатого вала.

Роторы пустотелые и отлиты из алюминиевого сплава. Лопасти роторов не соприкасаются между собой. Чтобы это обеспечить, на валах роторов, установлены координационные шестерни, согласующие их вращение.

Центробежные нагнетатели с механическим приводом от коленчатого вала дизеля применяются для наддува на дизелях типа М753, а также в качестве нагнетателя второй ступени в двухступенчатых системах наддува дизелей 10Д100 и 11Д45.

Нагнетатель такого типа, схема которого приведена на рис. 6.18, состоит из центробежного рабочего колеса 8, вращающегося в корпусе 7, отлитом из алюминиевого сплава и соединенном с впускным патрубком 9. Колесо 8 также алюминиевое, оно напрессовано на стальную шлицевую втулку, которая насаживается на хвостовик ведомого вала шестерни 12. На этом же валу гайкой закреплено вращающееся с валом колесо направляющего аппарата 10. Корпус 7 нагнетателя шпильками соединен с корпусом 13 приводного редуктора. Редуктор - повышающий, он состоит из двух пар цилиндрических шестерен 4-2 и 6-12. Ведомый вал-шестерня 12 опирается на два подшипника скольжения: опорный 11 и упорно-опорный 1.

Привод компрессора содержит три упругих звена: 1) торсионный вал 3, соединенный одним шлицевым хвостовиком с верхним коленчатым валом дизеля, а вторым хвостовиком со шлицевой втулкой 5; 2) шестерню 4, выполненную составной и Таблица 6.4

Показатели

Знач 2ТЭ10В

ение показате тэз

пей для теплое ТЭП60

озов ТЭМ2

Давление наддува, МПа

0,11-0,12

0,03

0,10-0,12

0,04-0,09

Типы воздухоочистителя

СН + С

СН + С

МП

СН+С

Число ступеней иаддува

Агрегаты иаддува:

турбокомпрессоры

-

приводные нагнетатели:

объемные

-

-

-

центробежные

-

-

Охлаждение воздуха

Есть

Нет

Есть

Есть

Тип турбокомпрессора

ТК-34С

-

4ТК

тк-зос

Продолжение табл. 6.4

Показатели

Значение показателей для тепловозов

ТГМЗА

ТЭ116

ТЭП70

Давление наддува, МПа

0,02

0,13-0,15

0,18-0,20

Типы воздухоочистителя

С

СН + С

СН + С

Число ступеней наддува

Агрегаты наддува:

турбокомпрессоры

приводные нагнетатели:

объемные

_

-

-

центробежные

-

-

-

Охлаждение воздуха

Нет

Есть

Есть

Тип турбокомпрессора

ТКР-23-1

ТК-38В

-

Примечание. С - сетчатый; мп - маслопленочный; СН - сетчатый, непрерывного действия.

имеющую упругую пружинную муфту, и 3) фрикционную муфту на промежуточном валу, вмонтированную в шестерню 6. Последняя муфта, проскальзывая, защищает компрессор от перегрузки при резких изменениях скорости вращения вала дизеля (например, при пуске). Торсионный вал обеспечивает упругость привода, а пружинная муфта предохраняет редуктор от передачи крутильных колебаний.

Турбокомпрессоры. Непосредственный привод нагнетателей от коленчатого вала дизеля обладает серьезным недостатком - производительность нагнетателей в этом случае связана со скоростью вращения коленчатого вала. В то же время система регулирования тепловозных дизелей в зависимости от нагрузки изменяет мощность дизеля (через подачу топлива) при неизменной скорости вращения вала. Таким образом, при постоянной скорости вращения вала дизеля независимо от его мощности приводной нагнетатель подает в цилиндры одно и то же количество воздуха. В результате при работе без нагрузки (на холостом ходу), когда в цилиндрах за цикл сгорают значительно меньшие количества топлива, горение проходит с чрезмерным избытком воздуха. На подачу этого воздуха напрасно затрачивается определенная мощность.

Система газотурбинного наддува не имеет этого недостатка. Нагнетателем такой системы служит автономный турбокомпрессор (рис. 6.19, а), механически не связанный с валом дизеля. Он состоит из двух агрегатов: осевой газовой турбины и центробежного компрессора, объединенных в одну машину. Ротор газовой турбины 1 и центробежное колесо компрессора 2 находятся на общем валу. К турбине через выпускной коллектор подводятся выхлопные газы, энергия которых приводит во вращение ротор. Расширившиеся продукты сгорания выпускаются в атмосферу.

Тепловозы- основы теории
Рис. 6.18. Схема центробежного нагнетателя дизеля 1 ОД 100 и его привода При вращении ротора объем воздуха, заключенный между лопатками воздушного компрессора, перемещается от центра колеса к его периферии. Сжатый воздух нагнетается во впускной коллектор дизеля. Производительность компрессора прямо пропорциональна скорости вращения колеса. Роторы турбокомпрессоров вращаются с переменной скоростью, зависящей от мощности дизеля, точнее, от количества выпускных газов, т. е. от количества сжигаемого топлива. Максимальная скорость вращения роторов нагнетателей тепловозных дизелей составляет от 10-12 до 20-25 тыс. об/мин.

Таким образом, дизель с газотурбинным наддувом обладает свойством саморегулируемости: по мере возрастания мощности увеличиваются масса и энергия продуктов сгорания, следовательно, увеличивается скорость вращения ротора турбокомпрессора и возрастает подача воздуха компрессором, и наоборот.

Важное достоинство газотурбинного наддува заключается в использовании энергии выхлопных газов, которая у дизелей довольно велика:

газы имеют температуру 450- 540 °С и давление до 0,2 МПа.

Газотурбинный наддув успешно применяется в четырехтактных дизелях. Применение такого наддува в двухтактных дизелях сложнее, так как на единицу мощности требуются большие количества воздуха (с учетом продувки).

Обычно это затруднение преодолевается применением комбинированных систем наддува (см. рис. 6.17, в) со сжатием воздуха в двух ступенях: первая - в турбокомпрессоре, а вторая - в приводном нагнетателе (объемном - дизель 14Д40 или центробежном - дизели 10Д100 и 11Д45). Приводной нагнетатель облегчает пуск дизеля и обеспечивает подачу необходимого количества воздуха при малых нагрузках дизеля, когда энергия выхлопных газов недостаточна для привода турбокомпрессора.

Тепловозы- основы теории

На многих советских тепловозных дизелях применяются унифицированные турбокомпрессоры. Турбокомпрессор (рис. 6.19, б) состоит из двух основных частей: корпуса и вращающегося в нем ротора. Корпус турбокомпрессора разъемный. Вертикальными плоскостями разъема он делится на три основные части: воздушную - корпус компрессора 1, выпускную 10 и газовую 13, соединенные между собой шпильками и болтами. К газовой части прикреплен направляющий аппарат 11 со своим корпусом 8. Направляющий аппарат состоит из двух колец со вставленными в них неподвижными стальными лопастями, направляющими поток газа на лопатки турбины. Рабочая полость компрессора ограничена вставкой 2. Лопаточный диффузор 5 выполнен в виде диска с лопатками и закрыт вставкой 3. В газовом корпусе 13 установлен дроссель 12.

Выпускная и газовая части корпуса имеют водяные рубашки, в которых циркулирует вода из системы охлаждения дизеля. Кожух 6 и экран 7, пространство между которыми заполнено теплоизоляционной массой, защищают среднюю часть вала ротора и воздушную часть корпуса от тепла выпускных газов. Одновременно экран 7 служит для направления потока газов. Все части корпуса у турбокомпрессоров отливаются из алюминиевого сплава.

Вал турбокомпрессора состоит из двух частей, приваренных к диску турбинного колеса 9 с обеих сторон. В диске турбинного колеса своими хвостовиками укреплены лопатки, изготовленные из жаропрочной стали.

Крепление носит название «елочного замка». Фигурный хвостовик лопатки, по форме сбоку напоминающий опрокинутую елочку (из-за наличия наклонных зубцов на боковых поверхностях), вставляется в поперечный паз в диске, имеющий такое же «елочное» сечение. Центробежная сила, отрывающая лопатку, распределяется на ряд поверхностей зубьев и впадин, что делает елочное крепление прочным и надежным и, к тому же допускающим замену отдельных лопаток при ремонте.

Колесо компрессора 4, отлитое из алюминиевого сплава, напрессовано на вал ротора. Вал ротора вращается в двух подшипниках скольжения. Один из них (со стороны компрессора) - опорно-упорный. Подшипники ротора смазываются от общей системы смазки дизеля, однако турбокомпрессор имеет свой масляный фильтр.

В корпусе турбокомпрессора имеются несколько лабиринтных уплотнений и система дренажа, исключающая прорыв газов через уплотнения. Конструкция корпуса газовой турбины зависит от способа осуществления наддува. Если наддув осуществляется при постоянном давлении в выпускном коллекторе (выхлопные газы из всех цилиндров поступают в один коллектор), корпус турбины имеет один фланец для впуска газов. При так называемом импульсном наддуве с более полным расширением продуктов сгорания газы подводятся к турбине раздельно от двух групп цилиндров, и ее корпус в этом случае имеет два присоединительных фланца.

Наддув при постоянном давлении характерен неполным использованием энергии газов, применяется в форсированных двигателях при высоких давлениях наддува (10Д100, 11Д45). Импульсный наддув, при котором энергия выпускных газов используется более полно, применяется на четырехтактных двигателях; он особенно эффективен для дизелей маневровых тепловозов, много работающих при частичных нагрузках (ПД1М, 6Д70).

Воздухоочистители. Принцип действия воздухоочистителей: улавливание пыли происходит за счет использования инерции частиц пыли при изменении направления потока воздуха, а удержание уловленных частиц пыли осуществляется благодаря смачиванию поверхностей воздухоочистителя вязкой жидкостью (маслом).

Качество работы воздухоочистителей оценивается коэффициентом пропуска е, который представляет собой отношение массы пропущенной пыли к общей массе пыли, поступившей в очиститель с воздухом. Для воздухоочистителей тепловозных дизелей е^1,5-2%.

Простейшим по конструкции воздухоочистителем тепловозных дизелей является так называемый сетчатый фильтр. Сетчатый фильтр (рис. 6.20, а) представляет собой кассету, состоящую из коробки, заполненную несколькими слоями проволочной сетки, смоченной маслом. Такие воздухоочистители применялись на тепловозах ТЭ1 и ТЭ2. В их кассетах уложено 14 слоев различных сеток: с лицевой стороны с более крупными ячейками, далее более мелкие. Первые несколько слоев для повышения пылеемкости имеют гофрировку.

Воздух, проходя по извилистым каналам, образованным ячейками последовательно расположенных сеток, оставляет на их поверхностях большую часть содержащихся в нем пылевых частиц. Название «фильтр» для данного устройства носит условный характер. Сетчатый очиститель по существу не фильтрует воздух, так как размеры отверстий для прохода воздух(ячейки сеток) в нем значительно превышают размеры удерживаемых частиц пыли. Пыль выделяется из потока именно за счет многочисленных поворотов струек потока при прохождении через сетки.

Сетчатые фильтры в процессе работы забиваются пылью и требуют частой промывки, которая может быть выполнена только в условиях депо. Иными словами, их пылеем-кость оказывается недостаточной, и поэтому на современных тепловозах воздухоочистители имеют более сложное устройство.

Наиболее простым способом некоторого повышения пылеемкости является применение двух последовательно расположенных сетчатых фильтров (первая кассета устанавливается в стенке кузова или капота тепловоза, вторая кассета - непосредственно перед всасывающим патрубком дизеля - тепловоз ЧМЭ2). Такие очистители называют двухступенчатыми. Иногда в качестве первой ступени перед сетчатыми фильтрами применяют циклонные очистители. Такой циклонно-сетчатый очиститель (рис. 6.20, б) применялся на тепловозах ТЭЗ первых выпусков.

Тепловозы- основы теории

Воздух через жалюзи 1 попадает сначала в циклонный очиститель. Каждый циклон 3 состоит из двух труб: наружной - с конусообразным концом и внутренней - цилиндрической, вставленной концентрически в первую. Между трубами установлена спиралевидная направляющая (наподобие шнекового винта), закручивающая поток. При вращении потока частицы пыли под действием центробежных сил оттесняются к внутренней поверхности наружной трубы, а поток воздуха отсасывается во внутреннюю трубу. Воздухоочиститель дизеля 2Д100 с каждой стороны имел батарею из 56 циклонов, работающих параллельно. Циклонный очиститель является ступенью грубой очистки, его коэффициент пропуска е = 30-35 %, причем проходят, главным образом, более мелкие частицы. После циклонов воздух поступает на сетчатые фильтры 2, играющие роль второй ступени очистки. Наличие первой ступени позволяет несколько увеличить сроки смены фильтров по сравнению с одноступенчатым очистителем.

Недостатками этой конструкции являются большая потеря мощности на всасывание (высокое гидравлическое сопротивление) и в то же время недостаточно высокие эффективность и пылеемкость.

Работу сетчатых фильтров можно улучшить непрерывной подачей масла на кассеты в процессе работы. Осуществить это можно двумя способами: разбрызгивая масло энергией всасываемого воздушного потока или периодическим окунанием самого фильтра в масло. Первый принцип реализован в конструкции воздухоочистителя с масляной ванной (рис. 6.20, в), разработанного во Всесоюзном научно-исследовательском тепловозном институте (ВНИТИ) и применяемого на тепловозах ТЭП60; второй - в конструкции воздухоочистителя непрерывного действия (рис. 6.20, г), разработанного во ВНИИЖТе и применяемого на большинстве серийных грузовых тепловозов.

Воздухоочиститель с масляной ванной (см. рис. 6.20, в) работает следующим образом. Воздушный поток, пройдя через воздухоприемные жалюзи 1, направляется по узкому наклонному каналу разбрызгивателя 5 масляной ванны 7 и на своем пути захватывает масло, заполняющее масляную ванну в нижней части корпуса. При неработающем дизеле масло заполняет нижнюю часть корпуса, включая канал разбрызгивателя (его уровень показан на рис. 6.20, в штриховой линией). Таким образом, воздух как бы прорывается через слой масла, оттесняя его со своего пути. Мельчайшие капельки масла уносятся с воздухом и равномерно оседают на всей площади пластинчатых фильтрующих элементов 4, за которыми установлены сетчатые кассеты 2 для предотвращения уноса капелек масла с воздухом в дизель. Масло непрерывно стекает с фильтрующих элементов, смывая осевшую пыль.

Сетчатый воздухоочиститель непрерывного действия (см. рис. 6.20,г) работает как обычный сетчатый, но двухступенчатый фильтр. Принципиальное отличие состоит в том, что фильтр первой ступени 6 выполнен в виде вращающегося на оси диска, нижняя часть которого погружена в масляную ванну 7. Таким образом, воздух, проходящий через верхнюю половину кассеты, всегда соприкасается со свежесмоченными маслом сетками.

Вращение кассеты приводит к смыванию задержанной пыли (она оседает на дно масляной ванны) и значительно повышает пылеемкость очистителя, практически не влияя на его гидравлическое сопротивление. Подвижная (вращающаяся) ступень представляет собой колесо, внутрь которого вставлены четыре секторообразные кассеты с проволочной сеткой. По ободу колеса приварена зубчатая лента, посредством которой подвижной кассете сообщается вращение (со скоростью 1 -1,5 об/ч) от пневматического сервомотора, установленного в корпусе воздухоочистителя. В качестве второй ступени на ряде тепловозов применяют кассеты 2, в которых вместо сетки установлен слой пористого пластика - пенополиуретана, прошедшего специальную обработку.

Воздухоприемные устройства систем воздухоснабжения тепловозных дизелей представляют обычные жалюзи с горизонтальными наклонными пластинами, размещенные в боковых стенах кузова тепловоза. Жалюзи служат для предотвращения забивания воздухоочистителей случайными предметами (листья, бумага и т. д,), а также для защиты их от прямого попадания дождя и снега.

Устройства для отвода отработавших газов от дизеля включают в себя выпускные коллекторы 8 (см. рис. 6.18) и глушители шума 9. Отработавшие газы от цилиндров дизеля отводят по выпускной системе в атмосферу, а при газотурбинном наддуве- в турбокомпрессоры. Так как температура отработавших газов дизеля высока (500-550 °С), выпускные коллекторы выполняют составными. Для обеспечения линейного расширения при нагреве звенья коллекторов соединяют поршневыми компенсаторами. Снаружи коллекторы покрывают термоизоляционным материалом, заключенным в защитные стальные кожуха. Это имеет двойную цель: сохранение теплоты газа для использования его энергии в турбине и предохранение от чрезмерного нагрева поверхности и отдачи тепла в машинное отделение.

В четырехтактных дизелях типа Д49 (тепловозы 2ТЭ116, ТЭП70), а также в двухтактных дизелях типа Д100 выпускные коллекторы имеют двойные стенки, в полостях между которыми циркулирует вода из системы охлаждения.

На маневровых тепловозах (ТЭМ2) применяются искрогасители, устанавливаемые на выхлопном патрубке и повышающие пожарную безопасность тепловоза.

⇐ | Водяная система | | Тепловозы: Основы теории и конструкция | | Охлаждающие устройства для воды, масла и наддувочного воздуха | ⇒